三极管典型的放大应用电路分析(一)

如今在三极管的应用电路中，越来越多的开关电路被MOSFET取代。 场效应晶体管(FET)为压控型器件，驱动简单，速度快，驱动能耗低，因此更加广泛的应用在开关电路中。 本文将对一些三极管典型的放大应用电路进行比较深入和分析和仿真。

1、基本放大电路

回顾一下学校的课程知识，基本三极管的电路围绕着三种基本的放大电路进行学习：共射极放大电路，共集极放大电路，共基极放大电路。 这三大电路在分立晶体管时代应用十足的广泛，现在基本已经被性能更强大和稳定的OPA电路所取代，或者在各种模拟IC里面才能找到它的身影。

OPA简单易用，但是想要更深入地了解OPA，我们有必要“温故而知新”。 

在进行三种基本的放大电路分析之前，我们需要明确一个基本的准则：三极管是一个受控的电流源! 需要注意的是这个受控电流源是有边界的(电压轨)!基于这两个基本的准则，不管什么样的三极管放大电流都可以分析的明明白白。

1.1 共射极放大电路

如下图1.1所示，这是一个简化的共射极电路模型，其包含了一个放大电路最基本的结构：偏置-输入-转换-输出。 Vbias为偏置电压，偏置电压的作用是确定电路的静态工作点。 为什么(放大)电路需要静态工作点呢? 因为需要晶体管工作在“线性区”，一旦晶体管工作在线性区，根据《电路》理论就可以直接将电路问题转化数学问题了。

输入电压V1和偏置电压Vbias可以利用叠加定理：Vout=Vout(V1响应分量)+Vout(Vbias响应分量)。 其中，Vbias为直流分量，V1为交流分量，我们先将输入信号拆分成直流+交流的形式，这一点很重要。

关于BJT晶体管上一节我们讲过：在线性工作区满足Ic=β*Ib的受控恒流源模型。

这个时候我们控制Vbias在一个中间值状态，也即是Ib(bias)=(Vbias-0.7V)/R1=1.8mA，Ic(bias)=β*Ib(bias)，该电流即是电路的静态工作电流。 三极管的关键参数β是使用DC Gain=hFE进行表示的，这里说明一下对于低频放大电路不考虑三极管器件本身的寄生参数影响(带宽无限大)!所以，进行交流分析三极管的“AC Gain”=DC Gain=hFE。 一般三极管的hFE根据管子的应用场景不同，大约在几十到几百之间。

静态工作点我们已经根据电路原理算出来了，那么交流电路是不是可以通过同样的电路求解方法呢? 当然可以! 但是，为什么课本上总是告诉我们：“交流等效电路需要将VCC和GND短路”?其实，这里面需要一个前提条件：小信号! 何为小信号，就是我们认为这个输入信号的交流量V1足够小，不足以改变三极管电路工作状态，保持在“线性工作区”。 保持在线性工作区的三极管交流电路，Vbias=0(也即是短路)，同样Vcc也是认为是直流电压源，在直流偏置电路中已经完成了直流量的响应计算! 因此也需要Vcc=0(也即是短路)。 那么可以得到图1.2所示的小信号交流电路模型! 至此，完成了一个典型三极管放大电路的分析和求解过程，仿真结果如图1.3所示，可以看出输出信号和输入信号的相位是相反的。

图1.1 共射极放大电路

图1.2 共射极放大电路小信号等效

图1.3 共射极放大电路的仿真输出

1.2 共集极放大电路

如图1.4所示，为集电极放大电路，和共射极电路相比该电路将集电极直接接入Vcc1，那么由小信号等效电路可知Q2的集电极将短接到GND，成为参考平面，因此为共集电极放大电路。 可以看出，随着Vin1的增加，Ic电流增加，Ie电流增加，Vout1电压增加，输出信号Vout1和输入信号Vin1同相位。 如图1.5所示，为电路的仿真波形。

从波形上可以看出输入和输出基本上保持了一致，存在一定的固定电压差(三极管的BE压降)，由于输出机为三极管的发射极，因此该电路也被称为“射极跟随器”。 几乎没有放大的作用! 但是，其优秀的阻抗特性可以用于各种缓冲级电路中。 对于大增益的三极管Ib电流可以控制非常小≈0，因此理想情况下输入阻抗无穷大; 而输出直接从发射极引出，没有其他线路分走电压，因此输出阻抗近似无穷小。 这个特性几乎不影响前级的输出信号，同时具有很强的后级带载能力!

图1.4 共集电极放大电路

图1.5 共集电极放大电路仿真输出

1.3 共基极放大电路

如图1.6所示，为共基极放大电路。 从结构上看，Vbias2提供直流偏置点，在小信号电路中Q3的基极接到GND，因此为共基极放大电路。 先看下如图1.7所示的仿真波形，可以看出输出的波形和输入的波形是同相位的，由于Ic≈Ie，因此交流放大倍数约等于R6/R7=5。

图1.6 共基极放大电路

图1.7 共基极放大电路仿真输出

同样都有放大信号的作用，共射极放大电路和共基极放大电路有什么区别呢?

在实际的放大电路中，需要将交流信号在直流偏置点上进行叠加，电路的关键在于交流耦合。这里引申下交流耦合，实际电路中没办法设置很多的偏置电源进行工作点确定，如图1.8是两个实用的共射极放大电路，左图为直接耦合，Rb1,Rb2分压为电路提供直流偏置点，u1作为输入信号如果含有直流分量，那么电路的直流偏置点将会发生“漂移”，这可能导致电路离开线性工作区，这是我们不希望看到。因此，我们更常用的是使用右图的阻容耦合形式，Rb确定电路的直流偏置点，u1的交流分量通过C1进行叠加，这将不会影响到原来电路的直流偏置点，能够很安全的将电路保持在“线性工作区”。但是这里有一个问题，C1和Rb构成了RC滤波器结构，这就注定该电路的频率带宽不能做得太高!

图1.8 共射极的两种耦合形式

回到共基极放大电路进行分析，如图1.9
所示为两种三极管的共基极电路。Rb1和Rb2构成了电路的直流偏置电压，Cb为去耦电容，Cb的交流阻抗≈0，将Rb2电阻短路。由于发射极的交流阻抗为零，因此和耦合电容无法构成RC滤波器(R=0)，带宽可以获得极大的提高(约等于三极管自身的带宽)。但是输入阻抗很小，对前级的驱动能力要求比较高，同时输出阻抗为Rc，和共射极放大电路相当。

图1.9 共基极放大电路的交流耦合

2、基本放大电路的应用比较

我们稍微比较下三种基本的放大电路，这里引用了参考资料5里面的结论：

(1)共射电路：

电压增益和电流增益都较高，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。由于具备这些优点，它是最常用的一种组态，而且还可以将多个共射放大器级联起来，构成多级放大器，以获得更高的增益。

(2)共集电路：

只放大电流、不放大电压，有电压跟随作用。所以不能用多个共集电路组成多级放大电路。但其在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，常用于多级电路输入级、输出级，以及作中间缓冲级。

(3)共基电路：

只放大电压，不放大电流，有电流跟随作用，所以也不宜单纯由共基电路组成多级电路。 其输入电阻小，输出电阻高,
可用作恒流源。 从目前我们所看到的这些特性，还看不出它突出的优点，实际上共基放大电路的通频带很宽，在高频和宽带的领域，它是大有用武之地的。

如图2.1所示，为三种基本放大电路的参数比较。

图2.1 基本放大电路的比较